水面防噴器工廠試驗及海上試驗的關鍵技術

于化宇，王樹山，李明智

（1.大連中遠船務工程有限公司技術中心，遼寧大連 116113；2.大連海洋大學，遼寧大連 116023）

0 引言

水面防噴器是用于淺海鉆井、試采、修井、完井等作業(yè)過程中關閉井口、控制井內(nèi)壓力、防止井涌井噴等事故發(fā)生的井口安全裝置，通常將固定閘板防噴器、變徑閘板防噴器、剪切閘板防噴器、環(huán)形防噴器和節(jié)流壓井閥件等組合為一體式防噴器組，便于海上吊運、安裝、操作和試驗。

1 項目簡介

本文研究的水面防噴器應用在一座LeTourneau Supper 116E型自升式鉆井平臺上，此平臺工作水深350 ft（1 ft=0.304 8 m），鉆井深度30 000 ft。共安裝2臺防噴器組，1臺為高壓防噴器組，由1個環(huán)形防噴器和4個閘板防噴器組成，工作壓力15 000 PSI（1 PSI=6.894 8 kPa），操作口徑13-5/8 in（1 in =2.54 cm）；1臺為低壓防噴器組，由1個環(huán)形防噴器和3個閘板防噴器組成，工作壓力50 00 PSI，操作口徑21-1/4 in。根據(jù)鉆井深度及所下套管、鉆具的不同來選擇適合的防噴器組安裝到井口套管頭上，保證鉆井作業(yè)安全高效進行。下面著重對水面防噴器在工廠和海上鉆井平臺2個階段需進行的主要試驗進行介紹，并對各試驗中的關鍵技術進行總結和研究。

2 防噴器工廠試驗總結和研究

根據(jù)API SPEC 16A[1]要求，防噴器在出廠前需進行工廠驗收試驗并出具試驗報告，必要時需第三方見證（例如船級社或其他有資質(zhì)的第三方），本次研究的主要試驗內(nèi)容如下。

2.1 閘板開關試驗

防噴器制造完成開始工廠驗收試驗，首先需要進行閘板的開關試驗，向閘板兩側的液壓油缸注入液壓油來操作閘板，開關3個回合，來驗證閘板的開關順暢，環(huán)形防噴器開關試驗同樣也是開關3個回合。

關鍵技術研究：工廠驗收試驗前須與平臺業(yè)主和防噴器制造商確認試驗所用的液壓油類型，盡量與防噴器控制系統(tǒng)所用的液壓油一致，避免未來防噴器與控制系統(tǒng)連接后額外的串油作業(yè)。

2.2 殼體壓力試驗

閘板防噴器或環(huán)形防噴器進行殼體壓力試驗，試驗壓力為其額定工作壓力的1.5倍。

殼體壓力試驗分2步進行，第一步將殼體內(nèi)壓力升到試驗壓力并穩(wěn)定后需保壓3 min，第二步需保壓15 min，第一步完成后須將壓力降為零再開始第二步。

關鍵技術研究：1）殼體壓力試驗前，需將閘板或環(huán)形防噴器處于開啟狀態(tài)；2）試驗前需用試壓液將防噴器內(nèi)部鐵屑、雜質(zhì)和氣體等清除，防止壓力波動；3）若防噴器末端或側出口有不同壓力等級的部件，殼體的試驗壓力則按較低者確定。

2.3 液控系統(tǒng)壓力試驗

單閘板防噴器、雙閘板防噴器或環(huán)形防噴器的液壓控制系統(tǒng)（包括防噴器內(nèi)部液壓通道和活塞油缸）須按系統(tǒng)額定工作壓力的 1.5倍進行壓力試驗，常見防噴器液壓控制系統(tǒng)額定工作壓力均為3 000 PSI，則試驗壓力按4 500 PSI進行。

液控系統(tǒng)壓力試驗分2步進行，第一步將液控系統(tǒng)內(nèi)壓力升到試驗壓力穩(wěn)定后需保壓3 min，第二步同樣升到試驗壓力穩(wěn)定后但需保壓15 min，第一步完成后須將系統(tǒng)內(nèi)壓力降為零再開始第二步。

關鍵技術研究：液控系統(tǒng)的先后2步壓力試驗均按額定工作壓力的1.5倍進行，并不是第一步低壓試驗和第二步高壓試驗，避免混淆。

2.4 閘板壓力試驗

每個閘板防噴器在殼體壓力試驗之后，防噴器在關閉狀態(tài)下須進行壓力試驗。液控系統(tǒng)操作壓力不得高于其額定工作壓力，壓力試驗分2步進行，首先進行低壓試驗（200 PSI～300 PSI），壓力穩(wěn)定后需保壓不少于10 min。然后進行高壓試驗（圖1），試驗壓力為防噴器的額定工作壓力，壓力穩(wěn)定后需保壓不少于10 min。第一步壓力試驗完成后須將壓力降為零再開始第二步。

關鍵技術研究：1）閘板關閉狀態(tài)下的試驗壓力須等同于閘板的額定工作壓力，不得使用1.5倍工作壓力；2）試驗前，需選取適合閘板尺寸的試壓鉆管放入防噴器（圖2），并提前核實此鉆管的壁厚和破壞壓力等級是否滿足試驗壓力，注意鉆管接頭所處高度不得與閘板干涉。

圖1 操作試壓泵開始防噴器壓力試驗

圖2 防噴器與控制系統(tǒng)連接并放入鉆管

2.5 環(huán)形和變徑閘板壓力試驗

環(huán)形防噴器和變徑閘板防噴器在關閉狀態(tài)下的壓力試驗基本要求同2.4節(jié)一致，特別要求見如下關鍵技術研究。

關鍵技術研究：1）環(huán)形防噴器壓力試驗，第一步需按API 16A要求如表1所示將規(guī)定尺寸的試壓鉆管放入環(huán)形防噴器中進行防噴器關閉和壓力試驗；第二步需在環(huán)形防噴器中無鉆管情形下進行防噴器關閉和壓力試驗，此階段的低壓試驗和高壓試驗要求同2.4節(jié)中要求一致，且高壓試驗階段允許按其額定工作壓力的一半或以上進行。

變徑閘板防噴器須按其規(guī)格分別放入最小尺寸和最大尺寸的試壓鉆管，然后進行防噴器關閉和壓力試驗，例如變徑閘板（5 in～7 in），則須分別放入5 in鉆管和7 in鉆管分別進行2次壓力試驗。

表1 環(huán)形防噴器壓力試驗鉆管尺寸要求

2.6 剪切閘板試驗

剪切試驗是用來驗證防噴器對指定鉆管的剪切能力以及剪切之后的密封能力，剪切試驗需在防噴器內(nèi)部零壓力和鉆管無張力進行，各規(guī)格剪切閘板防噴器所需剪切的鉆管尺寸和等級需參照API 16A要求，如表2所示。

表2 閘板防噴器剪切試驗鉆管尺寸要求

關鍵技術研究：1）試驗前，須與平臺業(yè)主和防噴器制造商確認是否需要第三方參加，例如船級社；2）剪切試驗所用鉆管的尺寸和等級，須提前與平臺業(yè)主和防噴器制造商確認，是否按API 16A最小規(guī)定尺寸進行；3）實際的剪切壓力、鉆管的實際屬性（尺寸、壁厚、等級、張力和沖擊力等）須在剪切報告上進行記錄；4）剪切試驗須在防噴器內(nèi)零壓力和鉆管無張力下進行；5）剪切全封閘板的剪切試驗和密封試驗須先后連續(xù)，一次試驗完成。

3 防噴器海上試驗總結和研究

根據(jù)API STD 53[2]要求，防噴器安裝到鉆井平臺上之后，需進行功能和壓力試驗，本次研究的主要試驗內(nèi)容包括：閘板關閉時間試驗；環(huán)形關閉時間試驗；閘板壓力試驗；環(huán)形和變徑閘板壓力試驗；通孔試驗；儲能器能力試驗。

應注意，鉆井平臺在海上作業(yè)時，按操作允許須每周進行功能試驗，功能試驗可包括壓力試驗。

3.1 閘板關閉時間試驗

根據(jù)API STD 53要求，防噴器控制系統(tǒng)需具備在30 s內(nèi)關閉任何1個閘板防噴器的能力。此試驗在操作閘板控制閥啟動閘板關閉功能后計時開始，當閘板完全關閉并實現(xiàn)密封后計時結束。

關鍵技術研究：

1）防噴器液壓控制系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥設定值的不同會影響防噴器開關的快慢，同時也影響儲能器瓶組所輸出的有效液壓量。此壓力調(diào)節(jié)閥常規(guī)設定值為1 500 PSI即防噴器的最小操作壓力，且與儲能器系統(tǒng)的容量和壓力計算有關。

2）計時結束（閘板關閉且密封）的臨界條件是當液壓控制系統(tǒng)已輸出閘板關閉所需求的流量和壓力后，系統(tǒng)壓力返回設定值1 500 PSI。如圖3所示。此時閘板開關控制閥下游管路系統(tǒng)和防噴器油缸內(nèi)已充滿1 500 PSI液壓，閘板已被液壓推至關閉位置并實現(xiàn)密封，同時系統(tǒng)流量計顯示液壓輸出量已滿足閘板關閉需求量，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)壓力關閉閘板后返回設定值

圖4 系統(tǒng)已輸出閘板關閉需求流量

3）影響閘板關閉時間的因素包括閘板關閉所需液壓量、壓力調(diào)節(jié)閥設定值、液壓油的溫度黏度特性以及液壓控制管路管徑和流速的選取設計。

4）閘板關閉時間要求在所有液壓泵組斷電的情況下，通過儲能器瓶組中的壓力和流量來操作閘板關閉進行最終驗證，具體試驗方法和要求參照 3.6節(jié)。

5）任何閘板防噴器的開關操作除剪切和全封閘板外，須放入適合閘板尺寸的鉆管后再關閉，注意鉆管接頭在防噴器中所處高度不得與閘板干涉。

6）防噴器液壓控制管在設計階段選型時須注意，在滿足管路壓力等級的情況下考慮使用合適的內(nèi)徑，減少管路損失，保證各防噴器開關時間滿足要求。

3.2 環(huán)形關閉時間試驗

環(huán)形防噴器關閉時間測量方法同3.1節(jié)一致，要注意的是不同內(nèi)徑的環(huán)形防噴器，關閉時間的要求不同。

關鍵技術研究：1）當環(huán)形防噴器內(nèi)徑在18-3/4 in以下時，關閉時間要求為30 s；當環(huán)形防噴器內(nèi)徑在18-3/4 in及以上時，關閉時間要求為45 s。2）防噴器液壓控制管在設計階段選型時，在滿足管路壓力等級的情況下考慮使用合適的內(nèi)徑，減少管路損失，保證各防噴器開關時間滿足要求。

3.3 閘板壓力試驗

鉆井平臺在海上作業(yè)時，進行閘板關閉狀態(tài)下的壓力試驗與2.4節(jié)中相應工廠試驗要求一致，需特別注意的是在工廠進行此試驗時，按工廠標準做法每個防噴器單獨進行試驗。而在海上試驗時，環(huán)形、雙閘板或單閘板等防噴器通常已經(jīng)組裝在一起成為一個整體防噴器組，安裝在井口平臺上或存放于懸臂梁儲存平臺上，此時進行任何閘板防噴器壓力試驗之前，須提前準備合適尺寸和強度的試壓鉆管，并考慮如何將鉆管吊運并安裝到防噴器中。

關鍵技術研究：1）試驗壓力為閘板防噴器的額定工作壓力，不得使用額定工作壓力的1.5倍；2）試壓鉆管安裝后須保證每層閘板均關閉在鉆管的管子部分，避免閘板關閉在鉆管的接頭位置，防止閘板損壞；3）防噴器組各層閘板壓力試驗通常從下往上逐層進行，目的是依次核查各層防噴器在壓力試驗過程中是否發(fā)生滲漏；4）若壓力試驗在冬季進行，環(huán)境溫度低于零下，防噴器腔內(nèi)試壓液需考慮添加乙二醇防凍液，防止結凍。

3.4 環(huán)形和變徑閘板壓力試驗

環(huán)形防噴器和變徑閘板防噴器在關閉狀態(tài)下，須按其額定工作壓力進行壓力試驗，基本要求同2.4節(jié)一致，各防噴器需分別進行低壓和高壓試驗。

關鍵技術研究：1）當防噴器安裝之后初次進行試驗，環(huán)形防噴器和變徑閘板防噴器須按鉆井作業(yè)計劃中的最大尺寸以及最小尺寸鉆管來進行壓力試驗；2）初次試驗之后，須按鉆井作業(yè)中的最小尺寸鉆管定期進行壓力試驗。

3.5 通孔試驗

根據(jù)API 16A工廠試驗要求，閘板防噴器、環(huán)形防噴器、液壓連接器和鉆井四通等，在壓力試驗完成后需進行通孔試驗，所需試驗工具通徑規(guī)的制作尺寸參照表3并允許上偏差0.25 mm，通徑規(guī)的測量范圍不小于300 mm，且應超出防噴器腔體至少51 mm。試驗標準為通徑規(guī)在沒有外力的情況下30 min內(nèi)順利通過防噴器內(nèi)孔。

根據(jù)API 53海上試驗要求，當防噴器安裝到井口裝置上并完成初次試驗之后，須進行通孔試驗。

關鍵技術研究：1）當完成整個防噴器組中所有閘板和環(huán)形的壓力試驗后，須進行通孔試驗；2）通徑規(guī)的結構設計須考慮后期試驗中可裝載液體或固體顆粒來增加自重，縮短通徑規(guī)通過整個防噴器組內(nèi)孔的時間。

表3 防噴器通徑規(guī)制作尺寸要求

3.6 儲能器能力試驗

防噴器控制系統(tǒng)儲能器瓶組的設計參照 API SPEC 16D[3]的要求，滿足防噴器功能流量需求的同時基于限壓式儲能器的液壓排放要求來考慮容量設計系數(shù)。而鉆井平臺在海上作業(yè)時需按API STD 53中要求進行儲能器能力試驗，即在斷電情況下，核實儲能器系統(tǒng)能提供足夠流量和壓力的液壓流體，來完成防噴器組的一系列操作，實現(xiàn)井口保護。此試驗須在防噴器組和控制系統(tǒng)首次組裝后或需要系統(tǒng)拆離的維修后進行，或上一次試驗后每6個月進行1次。

關鍵技術研究：1）試驗第一步先將所有儲能器瓶組從預充壓力充滿至最大工作壓力，關閉液壓泵組的供電，然后操作關閉所有環(huán)形和閘板防噴器，并開啟1個側出口閥，過程中須記錄每個閘板和環(huán)形防噴器關閉各用的時間。其中剪切閘板的關閉可用其他閘板的開關來模擬。2）待上述操作完成，系統(tǒng)穩(wěn)定30 min后，須核查儲能器瓶組的剩余壓力在預充壓力200 PSI以上。3）3.1節(jié)和3.2節(jié)中提及的防噴器關閉時間要求須在本試驗中最終驗證。

4 結論

水面防噴器作為海上鉆井平臺井口控制和保護的最終設備，其工廠試驗和海上試驗的過程和意義至關重要，每次試驗須完整記錄并可追溯。結合以往鉆井平臺井噴事故的調(diào)查分析報告，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)井噴事故都與防噴器的操作和試驗不規(guī)范有一定關系，因此防噴器在海上作業(yè)階段進行的所有試驗和維護都須嚴格按行業(yè)規(guī)范要求以及設備制造商和平臺運營商的要求定期進行，實時保證防噴器設備系統(tǒng)的全面可操作性和可靠性。

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018年綜合文本發(fā)布

中國船級社基于最新科研和反饋，完成了《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018年綜合文本的編制，現(xiàn)予以發(fā)布。

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》是中國船級社提供國際航行海船入級服務的基礎性規(guī)范，包括入級條件與范圍以及相配套的技術要求，規(guī)定船舶構造、船體結構、機械與電氣設備和系統(tǒng)、消防、環(huán)保等技術與建造標準、檢驗和試驗要求，以及保持其良好狀態(tài)的條件，旨在控制船舶的安全與質(zhì)量達到適當水平，并得到業(yè)界的廣泛認同。

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》適用于船長20 m及以上的海上航行入級船舶，除另有指明外，不適用于軍船、木質(zhì)船、非營業(yè)性游艇、高速船、小水線面船、帆船。

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018年綜合文本包含2018年修改通報，于2018年7月1日生效，生效后替代《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2015年綜合文本、2016年修改通報、2017年修改通報。

來源：中國船級社